并行电法矿井水害探测技术研究与应用

夏毅民，尹奇峰，郑刘根，赵红飞

(1.安徽大学 资源与环境工程学院，合肥 230601; 2.中铁四局集团工程有限公司，合肥 230022)

0 引言

在煤炭开采过程中，矿井水害易造成作业人员的重大伤亡，并带来严重的经济损失，对工作面周围岩层赋水异常区域及导水通道的判定是矿井水害防治的关键[1]。长期以来，矿井直流电法采用常规电法仪进行单巷电测深法、电剖面法或高密度电法探测工作，并获取巷道垂向地电信息来推断巷道附近的岩层富水性，在煤矿水害预测预防中发挥着重要作用[2]。其中，中国矿业大学自20世纪90年代以来采用活动MN法施伦贝尔三极测深装置对巷道周围地质异常体进行探测并取得良好的应用效果[3]；西安煤科院矿井电法研究室自1995年开始进行巷道间直流电透视技术研究；山东科学技术大学也将直流电法应用于矿井突水构造探测，极大地提高了矿井探测效率[4-10]。然而，由于矿井工作面可利用的空间有限，且采动煤岩体电性动态变化特征显著，传统直流电法勘探采集数据量有限且施工效率较低，无法满足高效率煤矿开采的实际需求。针对此问题，刘盛东等[11-12]研发的网络并行电法，采用“分布式并行智能电极电位差信号采集方法”，能够有效提高直流电法数据采集速度。因此，结合并行电法数据采集特点，针对不同的矿井水害类型建立矿井巷道物理模型，并提出相对应的观测系统进行数据采集：在工作面巷道内布置线型测线，采用ABM法探测底板水害；在巷道超前探测中建立U型观测系统对巷道前方异常进行定位分析。最终，将研究成果应用于实际矿井水害探测工程，并取得了良好的应用效果，为煤矿安全开采提供技术支持。

图1 高密度电阻法装置示意图

图2 温纳装置数据采集示意图

1 方法原理

直流电法勘探是以地下介质的电阻率差异为基础，通过观测和研究人工电场的变化和分布规律，反演获得探测区内部介质的电阻率分布特征[13-14]，进而解决地质问题的一种勘探方法。传统高密度电法的装置类型包括α、β和γ三种[15-16]，如图1所示，其中最常用的α温纳装置在测量时，通过A、B电极向地下供电，M、N电极测量电位差，AM=MN=

NB=AB/3为一个电极间距，A、B、M、N逐点同步向右移动，取隔离系数n=1得到第一层数据，再逐渐增大隔离系数使电极间距等比例放大，可得到第2层、3层，…，直到第n层数据，如此不断扫描测量获得如图2所示的倒梯形断面[17]。由此可见，高密度电法采用串行循环采集方式易出现闲置电极，在巷道空间内难以完成大数据量采集，工作效率较低且固定极距的设定会人为造成假异常。

并行电法采用“分布式并行智能电极电位差信号采集方法”，即在供电的同时连续测量所有测量电极的电位历时曲线，通过激励获得的电流和电位的时空曲线解编获取任意电极的自然场、一次场、二次场的响应电位，结合观测系统参数反演获得电阻率剖面[2]。并行电法工作方式分为AM法和ABM法，图3(a)为AM法数据采集过程中供电电极A循环至27号电极时，其他测量电极M与公共参考电极N的电位差衰减曲线；图3(b)为ABM法数据采集过程中，18号、41号电极承担A、B供电电极，剩余测量电极M与公共参考电极N的电位差衰减曲线。由此可见，并行电法在供电测量过程中没有闲置电极，从而极大地提高野外勘探的效率及数据采集量。

此外，并行电法现场测量时，假设电极距为5 m，电极总数n=64，每次测量供电时间为1 s，若采用AM法测量，测量自然场和一次场各1 s，128 s即可完成扫描采集任务，且从AM法数据中能够解编出二极装置与三极装置的电性参数，其中二极装置的视电阻率数据总数为n(n-1)，三极装置的视电阻率数据总数为n(n-1)(n-2)/3，比传统高密度电法的采集效率提高(n-1)(n+1)/3倍；若采用ABM法进行测量则半小时内完成，同样从中可解编出温纳、偶极与微分3种视电阻率数据，比常规高密度电法仪采集方式的效率至少提高了n(n-1)(n+1)/3倍[18-19]。

图3 并行电法AM法与ABM法电位衰减趋势

图4 并行电法物理模型与电极布置

图5 底板高阻异常体探测电阻率剖面

图6 超前探测低阻异常体电阻率平面图

2 模型测试分析

2.1 模型建立与数据采集

笔者主要采用并行电法对巷道底板及掘进前方含水异常体进行探测研究。选择长1.20 m×宽0.30 m×高0.50 m的玻璃槽作为实验模具，首先设计如图4(a)所示的巷道底板异常体探测模型，其中模拟巷道尺寸为1.00 m×0.20 m×0.10 m，模型中填充高度约0.3 m的实验沙土，在模拟巷道底板布置线型观测系统，共布置16个电极(其中测量电极14个，无穷远电极B和N布置在模型边界，防止距离过近产生的电场对实验数据产生干扰)，单位电极间距为2 cm，巷道底部放置一直径为5 cm的高阻异常体，模拟过程中以水槽左下角为原点建立坐标系，则异常体坐标为(0.23 m，0.05 m，0.15 m)。由于线型观测方式无法实现对巷道前方异常体探测，因此在上述模型基础上设计改进的U型观测系统对巷道前方异常进行定位分析，模拟巷道尺寸改为0.80 m×0.20 m×0.10 m，如图4(b)所示，在模拟巷道中共布置16个电极，其中14个测量电极布置成U型观测系统，无穷远电极B和N远离巷道工作面布置，单位电极间距为5 cm，则U型框宽为0.15 m，长为0.30 m，巷道前方5 cm处放置一低阻金属体。实验中采用并行电法ABM装置进行数据采集，采用正负正供电形式，供电时间为0.5 s。

2.2 数据处理分析

从采集数据体中提取温纳对称四极装置数据进行分析，并利用RES2DINV进行反演处理，该二维反演程序是基于圆滑约束最小二乘法的反演计算程序，使用了根据准牛顿最优化非线性最小二乘新算法。巷道底板探测实验处理结果如图5所示，图中色标由蓝色到红色反映电阻率由低到高的变化趋势，从图5分析可知，在(0.15 m，0.23 m)处有明显高阻异常(图中黑线圈位置)，其位置与正演模型吻合，且电阻率逼近真实值，完成模拟巷道底板地质异常体探测。模拟巷道掘进前方探测实验数据处理结果如图6所示，图中巷道迎头前方0.20 m处出现明显的蓝色低阻异常区域(黑色虚线划出)，同样与物理模型布置的低阻异常体位置一致，说明通过改进后的U型观测系统能够对巷道掘进前方含水异常体进行有效探测，达到巷道超前探测目的。

图7 实际探测并行电法观测系统示意图

图8 巷道底板探测视电阻率图

图9 巷道前方探测视电阻率图

3 实际应用

实际矿井水害探测工程位于山西运城杜家沟煤矿，其工作面属于太灰水带压开采，煤层顶底板以砂岩为主，由于裂隙相互沟通，局部岩层中存在裂隙含水，施工过程中已出现少量淋头水和渗水，对巷道正常掘进施工产生影响。为确保安全生产，需要提前查明巷道底板及掘进前方太灰水及奥灰水富水区域和导水因素，以便采取相应的防治水措施。根据前期研究成果，本次水害探测工程采用并行电法分别对巷道底板及掘进前方含水异常体进行探测，并分析了探测区的含赋水地质构造分布状况。

首先，以线型观测系统在回风巷底板布置64个电极，电极间距为5 m，探测总长为315 m，为防止无穷远B极对数据采集造成干扰，将B极放置在巷道外，测线布置如图7(a)所示，实际探测中布置多条测线；利用U型观测系统进行超前探测时，由于巷道空间有限，巷道宽度仅为12 m，为最大限度提高探测深度及效率，只在巷道迎头布置三个电极，电极间距为5 m，其余电极沿两条平行测线均匀布置于底板，整体呈U型，电极间距也为5 m(图7(b))。

实际数据采集以ABM法进行，数据采集参数为0.5 s恒流，50 ms的采样间隔，采集电流为单正方式，则单次采集时间约半小时。经反演处理得到巷道底板(图8)与超前探测(图9)电阻率分布图，图8(a)和图8(b)分别为两条线型测线获得的底板电阻率剖面图，在K1、K2处存在明显低阻异常区域，形态为上小下大，且发育较深，具有岩溶塌陷特征。后经矿方钻孔验证，K1和K2异常区分别施工2个钻孔，钻孔达到底板50 m左右时出现涌水现象。图9(a)和图9(b)为U型观测系统数据反演后巷道前方200 m范围内的电阻率分布图，图9(a)中超前探测表明在当日探测迎头前方80 m处出现一处明显的异常界面(图中红线标出)，该异常界面两侧电阻率差异明显，巷道前方80 m以内阻值相对较低，而80 m后出现相对高阻，初步分析此异常界面为断层；图9(b)中在巷道前方K3处有明显的低阻异常区，且呈条带状分布，解释为导水裂隙带，后经巷道掘进也验证了上述探测成果。

4 结论

利用并行电法数据采集技术，分别设计线型与U型观测系统，对不同矿井水害类型开展理论模拟与实践应用研究。在巷帮或底板布置线型观测系统，测量其电位分布，能够有效探明底板含水异常；在巷道超前探测中，在靠近巷道迎头建立U型观测系统，结合并行电法多通道优势，可实现前方异常的多次叠加，提高探测精度。研究结果表明，在有限的矿井巷道空间内，并行电法系统不仅具有传统高密度电法的多极测量功能，同时具有连续快速并行扫描电场的优势，极大程度提高数据采集效率与可靠性，能够为矿井水害的探查、预报提供更加完备的技术支持。